带短路保护的低功耗电源管理电路
阅读说明：本技术 带短路保护的低功耗电源管理电路 (Low-power-consumption power management circuit with short-circuit protection ) 是由 曾国兴 孙晓安 黄穗 李楚 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带短路保护的低功耗电源管理电路,包括控制芯片、负载开关、负载分压电路、使能按键和供电部,其中,所述控制芯片的使能脚连接负载开关,控制负载开关的打开和关闭；负载分压电路对负载开关输出的电压进行分压后输入控制芯片的关断脚,在输入关断脚的电压低于预设值时,控制芯片的使能脚输出低电平,关闭负载开关；所述负载开关向后级电路输出供电。本发明实现了电池和后级电路的隔离,当后级电路发生短路时,能够自动及时的将电池和电路之间断开。避免电池在短路情况下发热,自燃等危险。在工作时,当电池电压下降到一定值时,自动将电池和后级电路断开,避免由于过度放电损坏电池。(The invention discloses a low-power-consumption power management circuit with short-circuit protection, which comprises a control chip, a load switch, a load voltage division circuit, an enabling button and a power supply part, wherein an enabling pin of the control chip is connected with the load switch to control the on and off of the load switch; the load voltage dividing circuit divides the voltage output by the load switch and then inputs the voltage into a turn-off pin of the control chip, and when the voltage input into the turn-off pin is lower than a preset value, an enable pin of the control chip outputs a low level and turns off the load switch; the load switch supplies power to the output of the post-stage circuit. The invention realizes the isolation between the battery and the rear-stage circuit, and can automatically and timely disconnect the battery and the circuit when the rear-stage circuit is short-circuited. The dangers of heating, spontaneous combustion and the like of the battery under the condition of short circuit are avoided. When the battery voltage drops to a certain value during working, the battery is automatically disconnected from a post-stage circuit, so that the damage to the battery due to over-discharge is avoided.)
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种带短路保护的低功耗电源管理电路。
背景技术
人工耳蜗体外机中均需装配电池，而现有电池供电设备(在人工耳蜗领域即体外机)体积越来越小，导致内部电池体积也越来越小。对于带电池的设备，厂家生产完成后，进行仓库存储，再到客户使用前如何尽可能的减少自身的电路对电池的消耗，是目前存在的挑战。另外当供电设备后级电路发生短路等意外时，如何保护电池不被损坏也存在挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明采用在负载开关和两个分压电阻电路，监控输出的电压。当负载开关之后的电压发生异常后。两个分压电阻通过电源芯片，直接将负载开关的使能引脚拉低。此时负载开关没有输出。负载开关后的电路短路对电池没有影响。
为达到上述目的，本发明提供了一种带短路保护的低功耗电源管理电路，包括控制芯片、负载开关、负载分压电路、使能按键和供电部，其中，
所述控制芯片的使能脚连接负载开关，控制负载开关的打开和关闭；负载分压电路对负载开关输出的电压进行分压后输入控制芯片的关断脚，在输入关断脚的电压低于预设值时，控制芯片的使能脚输出低电平，关闭负载开关；所述负载开关向后级电路输出供电；
所述使能按键默认为断开状态，在按下使能按键不超过1s时，控制芯片的使能脚输出高电平，打开负载开关；在控制芯片的使能脚输出高电平时，按下使能按键超过2s时，控制芯片的使能脚输出低电平，关闭负载开关；
所述供电部对控制芯片和负载开关供电。
优选地，所述供电部包括电池供电电路、外部供电电路和外部分压电路，其中，电池供电电路对控制芯片和负载开关分别供电，电池供电电路包括电池；外部供电电路向控制芯片输出电能，同时外部供电电路还经外部分压电路与控制芯片的电压检测脚连接，在外部供电电路传输来的电压小于阈值时拉低控制芯片的使能脚，即关闭负载开关。
优选地，所述电池供电电路还包括一个二极管，串联在电池与控制芯片之间，该二极管的正极连接电池，负极连接控制芯片。
优选地，所述外部供电电路包括USB插座和一个二极管，USB插座与控制芯片之间串联二极管，该二极管的正极连接USB插座，负极连接控制芯片。
优选地，所述外部分压电路包括两个串联的电阻，两个电阻中间的连接处与控制芯片的电压检测脚连接。
优选地，还包括充电电路，对电池进行充电。
优选地，所述控制芯片型号为LTC2955。
优选地，所述负载开关包括TPS22929D芯片或者TPS22916C芯片。
优选地，所述充电电路包括LTC4069芯片。
本发明的有益效果至少包括：
1、实现了一个按键对电源的管理，即实现通过使能按键进行电源正常供电和低功耗的切换，低功耗可以显著的延长电池的使用时间，在低功耗下，产品经过长时间的保存或者长途运输之后，电池的电量仍然充足；
2、实现了电池和后级电路的隔离，当后级电路发生短路时，能够自动及时的将电池和电路之间断开，避免电池在短路情况下发热，自燃等危险；
3、在工作时，当电池电压下降到一定值时，自动将电池和后级电路断开，避免由于过度放电损坏电池；
4、实现了对充电的自动识别，可以设置电路充电时自动打开给后级电路供电；
5、外部分压电路对USB接入的电压进行检测，可以设置电压低于一定值时，通过控制芯片对负载开关的使能脚输出，而将后级电路和电池供电断开；
6、用二极管将外部供电和内部电池供电隔离，实现外部或者内部电源单独给电路供电，或者外部和内部电源同时给电路供电而不产生干扰，二极管防止电源反接损坏后级电路。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的带短路保护的低功耗电源管理电路的结构框图；
图2为本发明实施例的带短路保护的低功耗电源管理电路的电路原理图；
图3为本发明实施例的带短路保护的低功耗电源管理电路的充电电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1、2，所示为本发明实施例的带短路保护的低功耗电源管理电路的结构框图和电路原理图，包括控制芯片10、负载开关20、负载分压电路21、使能按键11和供电部，其中，
控制芯片10的使能脚连接负载开关20，控制负载开关20的打开和关闭；负载分压电路21对负载开关20输出的电压进行分压后输入控制芯片10的关断脚，在输入关断脚的电压低于预设值时，控制芯片10的使能脚输出低电平，关闭负载开关20；所述负载开关20向后级电路输出供电；
使能按键11默认为断开状态，在按下使能按键11不超过1s时，控制芯片10的使能脚输出高电平，打开负载开关20；在控制芯片10的使能脚输出高电平时，按下使能按键11超过2s时，控制芯片10的使能脚输出低电平，关闭负载开关20；
供电部对控制芯片10和负载开关20供电。
供电部包括电池供电电路31、外部供电电路32和外部分压电路33，其中，电池供电电路31对控制芯片10和负载开关20分别供电，电池供电电路31包括电池；外部供电电路32向控制芯片10输出电能，同时外部供电电路32还经外部分压电路33与控制芯片10的电压检测脚连接，在外部供电电路32传输来的电压小于阈值时拉低控制芯片10的使能脚，即关闭负载开关20。电池供电电路31还包括一个二极管，串联在电池与控制芯片10之间，该二极管的正极连接电池，负极连接控制芯片10。外部供电电路32包括USB插座和一个二极管，USB插座与控制芯片10之间串联二极管，该二极管的正极连接USB插座，负极连接控制芯片10。外部分压电路33包括两个串联的电阻，两个电阻中间的连接处与控制新皮啊的电压检测脚连接。
采用负载开关20将电池(电池可以为通用一次性电池或可充电电池)和系统电路分开，通过将负载分压电路21和控制芯片10组合，实现系统的电源管理。
当负载开关20的后级电路发生短路或者负载过重导致电池电压降低时，负载分压电路21的电压低于保护值，控制芯片10检测到后自动将与负载开关20连接的使能脚拉低；断开电池和后级电路，保护电池，避免因为短路或者电路过大，电池发热或者发生自燃等问题，增强电路的稳定性。
在正常工作时，电池电压慢慢下降到一定值时，控制芯片10通过负载分压电路21检测到电压低，将负载开关20的使能脚拉低，此时电池和后级电路断开，整个系统电路进入低功耗放电模式，经实验测试工作电流小于3uA，能够很好的保护电池的过度放电。
在正常工作模式下，长按使能按键11超过2s时，负载开关20断开，后级电路和电池断开，电路进入低功耗模式，工作电流小于3uA，低功耗模式能够极大的降低整个电路的静态功耗，带电池的产品无论是生产完存储、还是长途运输到客户处，都能够长时间的保持产品的电量。
由于负载分压电路21放置在负载开关20后端，当采样电压小于设定值之后，负载开关20关闭，此时负载分压电路21上无电压；同时由于负载分压电路21放置在负载开关20之后，可以减少负载开关20关断后整个电路的静态功耗，减少负载分压电路21直接接电池端的电流消耗。
参见图2的电路原理图，U31为负载开关20，VBAT为电池电压。负载开关20的压降极小，工作时可以认为VBAT2和VBAT电压相等。U31为进行电压检测以及使能信号的控制芯片10，R116和R139组成负载分压电路21，R116和R139给U35的9脚(/KILL)提供电压，当分压低于设定值时U35的3脚(EN)输出低电平，此时U31负载开关20的3脚(ON)为低，U31的1脚没有输出。
二极管D18、D19、D20隔离VBAT和USB_VBUS两个电压，VBAT和USB_VBUS都可以单独给U35供电，或者USB_VBUS和VBAT同时给U35供电而不会互相干干扰，二极管D18、D19、D20还能防止电源反接导致后级电路损坏。
R120和R121两个电阻组成了外部分压电路33分压检测VIN2电压，由于VIN2电压为USB_VBUS通过二极管D19供电，实际R120和R121检测的为USB_VBUS的电压，两个电阻分压后的电压提供给U35的10脚(ON)，当USB_VBUS的电压接入时，U35自动检测10脚(ON)的电压，大于阈值0.8V时，可自动将3脚(EN)拉高。U31负载开关20打开，给后级电路供电。
SW1为使能按键11，控制U35的3脚(EN)的输出状态，在EN输出为低电平时，短按SW1(不超过1s)，EN引脚输出高，负载开关20打开；当3脚(EN)输出为高时，长按SW1(超过2s)，EN引脚输出变低，负载开关20关闭。SW1实现正常工作模式和低功耗模式的切换。
整个电路有3种工作状态：a)正常工作、b)电池电压低或负载开关20后级电路发生短路时和c)充电状态。
a)当电路为正常工作状态时。电池电压VBAT通过二极管D20给U35和U31供电。电池接入J5(电池插座)后，默认U35的3脚(EN)为低电平，此时U31负载开关20关闭，VBAT2电压为0V，由于VBAT2给整个电路供电，所以后级电路不工作。短按SW1后U35的3脚(EN)拉高，负载开关20U31打开，此时VBAT2电压等于VBAT，VBAT2给后续整个后级电路供电。在U31打开的状态下，长按SW1(超过2s)，U35的3脚(EN)变低，U31负载开关20关闭，电池电压VBAT和VBAT2断开，电池仅仅给U35和U31供电，此时静态工作电流小于3uA，极低的静态工作电流，可以长时间保持电池的电量。
b)当电池电压降低或负载开关20后电路发生短路时。U35的3脚拉低，U31负载开关20关闭。具体为U35的9脚(/KILL)监测R116和R139两个电阻的分压，当电池电压降低到设定值，即VBAT2电压降低到设定值时，U35的3脚拉低，U31负载开关20关闭，U31之后的后级电路不工作，VBAT只给U31和U35供电，此时电路的静态工作电流小于3uA，可以避免电池的过度放电导致电池损坏。当负载开关20U31之后的后级电路发生短路时，VBAT2的电压变为0V，R116和R139的分压也为0V，小于设定的0.8V，此时U35的3脚(EN)拉低，U31负载开关20断开，电池电压VBAT和后级电路VBAT2断开，VBAT仅给U31和U35电路供电，电路进入极低功耗的工作状态，静态工作电流小于3uA，负载开关20断开后避免电池进入短路工作状态，保护电池，避免由于短路，导致电池发热甚至燃烧。
c)当USB插座接上电时，USB_VBUS通过D18、D19给U35供电。当U35的3脚(EN)为低电平时，U31负载开关20关闭，后级电路不工作。此时USB插座上插入USB插头时，U35的10脚(ON)检测到R120和R121的分压大于设定的0.8V，将3脚(EN)拉高，U31负载开关20的后级电路上电工作；当U35的10脚(ON)检测到电压小于0.8V时，自动拉低3脚(EN)，断开负载开关20U31的后级电路。
具体实施例中，控制芯片型号可选LTC2955。负载开关包括TPS22929D芯片或TPS22916C芯片或功能类似的芯片。
充电电路包括LTC4069芯片或功能类似的充电芯片。
参见图3，具体实施例中还包括充电电路，对电池进行充电。当USB_VBUS引脚上接入5V左右的电压.U36充电芯片给电池充电,U36的引脚3接电池VBAT.在任何时候,只要USB_VBUS引脚接入5V左右的电压,U36都可以给电池充电.U36的2脚(CHRG)在充电时拉低，D4点亮表明在充电，同时BAT_CHARG为低电平，可以给后续电路如mcu指示信号，表明在充电。当电池充满时，U36的2脚(CHRG)变为高电平，D4灭，此时BAT_CHARG引脚为高，给后续电路信号表明电池充满电。
本发明当电路在正常工作时，长按按键SW1后，负载开关20断开。此时后级电路和电池VBAT断开，电路进入低功耗，静态电流小于3uA。当机器在超功耗模式时，短按SW1，负载开关20接通，电池VBAT给后级电路供电，电路进入正常工作状态。
通过一个按键，对电路的电源进行管理，实现正常工作和超低工作电流模式的切换，即负载开关20的导通和断开来控制电路进入低功耗。进入低功耗，可以显著的延长电池电量的保持时间，无论是产品生产完在仓库中存储还是产品长途运输，都可以长时间保持电量的充足。
实现了电池和工作电路的隔离，通过检测负载端的电压变化，自动断开负载开关20和电池的连接。当负载开关20U31后端电路VBAT2发生短路时，R116和R139的分压变为0V，U35的9脚(/KILL)检测到电压低于0.8V，将3脚(EN)拉低。U31负载开关20断开负载和电池的连接。此时VBAT仅仅给U31和U35供电，工作电流小于3uA。可以设置VBAT2小于一定值时自动关断U31负载开关20，电路进入低功耗。计算公式为：VBAT2*R116/(R116+R139)<0.8V时自动将U31关断，R116和R139的阻值可以根据实际情况选择。同时电阻R116和R139放置在U31负载开关20之后，可以进一步降低断开后电池的静态工作电流，如果放置在负载开关20之前即接到VBAT端，关断负载开关20后R116和R139仍旧耗电，放置在U31负载开关20之后则关断后不耗电。
自动识别外部供电(USB电源)的接入，检测到外部供电电路32接入时，可以设置自动打开U31负载开关20给后级电路工作。通过R120和R121组成的外部分压电路33以及U35的10脚(ON)，监测USB_VBUS的引脚电压。当USB_VBUS电压低于设定值时，自动关闭负载开关20。设定电压计算公式为：
(USB_VBUS-0.2)*R121/(R120+R121)<0.8V时，自动将U31负载开关20关闭。
D18、D19、D20三个二极管实现了USB_VUBS和VBAT的隔离，避免两个电压互相干扰。可以实现外部电源和内部电源单独或者同时给电路供电而互相不影响。同时二极管还有防止两个供电源反接的作用，避免反接损坏后级电路。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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